周彤，郭曉，周向爭(zhēng)　?中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院，吉林　長(zhǎng)春　130021
鮑憲枝　?大連市排水處，遼寧　大連　116000

　　摘要：污水回用中氨氮去除有許多方法。當(dāng)經(jīng)處理的城市污水回用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時(shí)，利用冷卻塔的曝氣作用，控制pH7.0～8.0，污水含氨氮20～50 ｍｇ／Ｌ，濃縮倍數(shù)為2的條件下，可使循環(huán)水的氨氮濃度＜1mg/L。
　　關(guān)鍵詞：城市污水；污水回用；循環(huán)冷卻水
　　中圖分類號(hào)：X703，TU991.27
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1009-2455（2000）06-0009-03

Removal of NH₃-N in the Reuse of Municipal Wastewater for Circulating Cooling Water
ZHOU Tong?GUO Xiao?ZHOU Xiang_zheng?Bao Xian_zhi

　　Abstract：There are many ways for the removal of NH3-N in the reusing wastwater.When treated municipal wastewater is reused for industrial circulating cooling water system，it is possible to make NH₃-N concentration in the circulating water ＜ 1mg/L by using the aerating function of cooling tower to
control the pH value between 7.0 and 8.0，the NH₃-N concentration in the wastewater at 20～50 mg/L and the concentration times at 2.
_Keywords：municipal wastewater；reuse of wastewater；circulating cooling water

　　在城市污水中，特別是經(jīng)過二級(jí)處理后污水中的氮，90％以上是以氨的形式存在，以氨氮形式脫氮，比去除硝酸鹽氮容易而經(jīng)濟(jì)，在某些場(chǎng)合并不要求脫除總氮而只對(duì)脫除氨氮有要求。氨在工業(yè)循環(huán)水殺菌處理時(shí)會(huì)增加用氯量。氨對(duì)某些金屬，特別是銅具有腐蝕性，當(dāng)再生水作為冷卻水回用時(shí)，要考慮冷卻設(shè)備腐蝕損害問題。因而在考慮將經(jīng)處理的城市污水回用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)時(shí)，氨氮的去除尤為重要。
　　氨氮的去除有以下方法：

1　折點(diǎn)加氯法

　　廢水中含有氨和各種有機(jī)氮化物，大多數(shù)污水處理廠排水中含有相當(dāng)量的氮。如果在二級(jí)處理中完成了硝化階段，則氮通常以氨或硝酸鹽的形式存在。投氯后次氯酸極易與廢水中的氨進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)中依次形成三種氯胺：

NH₃ + HOCl → NH₂Cl(一氯胺) + H₂O
NH₂Cl + HOCl → NHCl2(二氯胺) + H₂O
NH₂Cl + HOCl→ NCl3(三氯胺) + H₂O

　　上述反應(yīng)與pH值、溫度和接觸時(shí)間有關(guān)，也與氨和氯的初始比值有關(guān)，大多數(shù)情況下，以一氯胺和二氯胺兩種形式為主。其中的氯稱為有效化合氯。
　　在含氨水中投入氯的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)投氯量達(dá)到氯與氨的摩爾比值1∶1時(shí)，化合余氯即增加，當(dāng)摩爾比達(dá)到 1.5∶1時(shí)，（質(zhì)量比7.6∶1），余氯下降到最低點(diǎn)，此即“折點(diǎn)”"。在折點(diǎn)處，基本上全部氧化性的氯都被還原，全部氨都被氧化，進(jìn)一步加氯就都產(chǎn)生自由余氯。
　　在廢水處理中，達(dá)到折點(diǎn)所需氯總是超過質(zhì)量比7.6∶1，當(dāng)污水的預(yù)處理程度提高時(shí)，到達(dá)折點(diǎn)所需氯量就減少。三種處理出水加氯量見表1。

　　折點(diǎn)加氯產(chǎn)生酸，當(dāng)氧化1 mg/L NH₃-N時(shí)，需14.3 mg/L的堿度（以CaCO₃計(jì)）來中和，實(shí)際上，由于氯的水解，真正需要的堿度為15 mg/L。大多數(shù)情況下，pH值將略有降低。
　　為了達(dá)到折點(diǎn)反應(yīng)所加入的氯劑，除形成次氯酸外，還增加廢水中的總?cè)芙夤腆w含量。在廢水復(fù)用情況下，溶解固體的含量可能成為影響回用的障礙。投加不同氯劑對(duì)總?cè)芙夤腆w的影響見表2。

　　折點(diǎn)加氯法因加氯量大，費(fèi)用高，以及產(chǎn)酸增加總?cè)芙夤腆w等原因，目前尚未見以此為主要除氨方法的污水廠在運(yùn)行。

2　氨吹脫

　　在廢水中，銨離子和氨氣相互轉(zhuǎn)化：

　　

　　當(dāng)pH為7時(shí)，只有銨離子存在，在pH為12時(shí)，只有氨氣存在，在適當(dāng)條件下溶解氨能從廢水中釋出。
　　氨吹脫工藝是將水的pH值提到10.8～11.5的范圍，在吹脫塔中反復(fù)形成水滴，通過塔內(nèi)大量空氣循環(huán)，氣水接觸，使氨氣逸出。
　　環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，氨吹脫塔實(shí)際上無法工作［2］。當(dāng)水溫降低時(shí)，水中氨的溶解度增加，氨的吹脫率降低。由于水中碳酸鈣垢在吹脫塔的填料上沉積，可使塔板完全堵塞。另外，吹脫塔的投資很高。因此，國(guó)外原有的吹脫塔基本上都已停運(yùn)。

3　選擇性離子交換法

　　使用選擇性離子交換劑--斜發(fā)沸石進(jìn)行離子交換是近期開發(fā)的工藝［3］，廢水中的銨離子將斜發(fā)沸石中的鈉或鈣替代出來，失效的沸石使用再生液再生，再生液通過氨吹脫塔脫氨。斜發(fā)沸石是沸石中的一種，在美國(guó)西部有幾處礦床自然存在。沸石的交換容量可由廢水的離子濃度來估計(jì)，同時(shí)要進(jìn)行半生產(chǎn)性試驗(yàn)，有的用4.8kg/m³。
　　此法存在的問題是：再生液需要再次脫氨；在沸石交換床內(nèi)，氨解吸塔及輔助配管內(nèi)存在碳酸鈣沉積；廢水中有機(jī)物易造成沸石堵塞而影響交換容量，須用各種化學(xué)及物理復(fù)蘇劑除去粘附在沸石上的有機(jī)物。目前這種方法應(yīng)用也不多。

4　生物法脫氨

　　目前，生產(chǎn)中經(jīng)常大量采用的方法是生物法脫氨［4］。污水處理到硝化階段，生物反應(yīng)在完成碳的氧化后再完成氮物質(zhì)的氧化，使氨氮能氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。但這樣需延長(zhǎng)生物處理時(shí)間，并增加供氧量，這將使生物處理的基建投資和供氧動(dòng)力增加，無疑會(huì)增加污水處理廠的負(fù)擔(dān)，加大廢水回用成本。

5　循環(huán)水系統(tǒng)脫氨

　　該法是我國(guó)“八五”科技攻關(guān)成果［5］。中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院課題組將再生水作工業(yè)冷卻水回用的研究工作中，提出利用循環(huán)水系統(tǒng)，特別是冷卻塔，進(jìn)行脫氨。循環(huán)水系統(tǒng)只要運(yùn)行得法，掌握一定條件，在發(fā)揮冷卻作用的同時(shí)，可以作為脫氨兼用，既不需增加處理費(fèi)用，又使水質(zhì)達(dá)到回用要求，從而解決了氨氮指標(biāo)影響回用的這一關(guān)鍵技術(shù)。
5.1　循環(huán)水系統(tǒng)脫氨的效果
　　循環(huán)水系統(tǒng)由冷卻塔、循環(huán)泵和換熱設(shè)備組成。在冷卻塔內(nèi)，水與空氣接觸，進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，然后供換熱設(shè)備循環(huán)使用。冷卻塔由于蒸發(fā)、風(fēng)吹、排污而需補(bǔ)充水，當(dāng)將城市污水再生處理后作為補(bǔ)充水進(jìn)入循環(huán)水系統(tǒng)中時(shí)，補(bǔ)充水中的氨氮在冷卻塔內(nèi)得以脫除。這一規(guī)律在試驗(yàn)和工業(yè)化實(shí)踐中所證實(shí)。表3是某廠使用再生水的循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)分析的典型數(shù)據(jù)：

　　城市污水經(jīng)二級(jí)和深度處理后，氨氮尚有10～30 mg/L左右，進(jìn)入冷卻系統(tǒng)后，在濃縮倍數(shù)2的情況下，氨氮達(dá)到0.4 mg/L的低值。且不隨濃縮倍數(shù)增加和運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短而積累。表3說明在工業(yè)用水實(shí)踐中，循環(huán)水系統(tǒng)中氨氮可小于1.0 mg/L，滿足包括電力工業(yè)在內(nèi)的工業(yè)循環(huán)冷卻水氨氮指標(biāo)小于1 mg/L的要求。
5.2　影響氨氮去除的因素
　　氨氮的去除機(jī)理是由于循環(huán)水系統(tǒng)是一個(gè)特殊的生態(tài)環(huán)境，合適的水溫，很長(zhǎng)的停留時(shí)間，巨大的填料表面積，充足的空氣等等優(yōu)良條件促使氨氮轉(zhuǎn)化。據(jù)測(cè)定，80％為硝化作用，10％為解吸作用，10％為微生物同化作用，三種作用綜合，而以硝化為主。因此，下列因素對(duì)氨氮的去除有影響。
5.2.1　冷卻塔濃縮倍數(shù)，停留時(shí)間
　　冷卻塔的濃縮倍數(shù)與節(jié)水效果直接相關(guān)，濃縮倍數(shù)越高，補(bǔ)給水量越少，循環(huán)水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間越長(zhǎng)。
循環(huán)水系統(tǒng)內(nèi)的平均停留時(shí)間從公式（1）求得：

　　T=V/(Q_b+Q_m)　　　　　　　(1)

　　式中　T—水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間，h；
　　　　　V—循環(huán)水系統(tǒng)容積，m³，一般為循環(huán)小時(shí)流量的1/3～1/5；
　　　　　Q_b—排污和泄露損失水量，m³/h；
　　　　　Q_m—風(fēng)吹損失水量,m³/h。

　　例如1×10⁴ m³/h的循環(huán)水系統(tǒng)，當(dāng)濃縮倍數(shù)為2時(shí)，循環(huán)水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間為12.5 h；當(dāng)濃縮倍數(shù)為5時(shí)，停留時(shí)間為50h。可見其停留時(shí)間很長(zhǎng)［6］。
　　當(dāng)濃縮倍數(shù)2以上，城市污水中氨氮含量為20～50 mg/L時(shí)，循環(huán)水中氨氮濃度可小于1mg/L。我國(guó)大多數(shù)工業(yè)冷卻系統(tǒng)，濃縮倍數(shù)在2左右，所以，大多數(shù)工廠的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)都具有很高的去除氨氮的能力，這一去除氨氮的創(chuàng)新技術(shù)，具有普遍推廣價(jià)值。
5.2.2　堿度和pH
　　經(jīng)計(jì)算，每氧化lgNH₃-N要消耗堿度7.14g（以CaCO₃計(jì)）。當(dāng)堿度不足時(shí)，應(yīng)當(dāng)補(bǔ)加。
　　循環(huán)水系統(tǒng)pH要保持在7.0～8.0，使循環(huán)水的pH值適宜硝化菌的活動(dòng)。
5.2.3　溫度
　　亞硝酸菌最佳生長(zhǎng)溫度為35℃，硝酸菌的最佳生長(zhǎng)溫度為35～42℃，在適宜的溫度下，硝化菌活性高增長(zhǎng)快，對(duì)氨氮的去除能力增強(qiáng)。通常冷卻塔水的溫度長(zhǎng)期保持在25～40℃范圍內(nèi)，恰是在硝化菌最適宜的溫度范圍內(nèi)，并且不存在低溫時(shí)硝化菌效能減退問題。這是任何市政污水處理構(gòu)筑物無法比擬的。
5.2.4　供氧量
　　計(jì)算得出，將lgNH₃-N氧化為NO₂^--N需耗氧3.43g，將lgNO₂^--N，需耗氧1.14g，硝化作用共耗氧4.57g。氨氮的硝化應(yīng)保證空氣量為硝化所需空氣量的50倍。

　　在冷卻塔內(nèi)，每立方米水的空氣量可達(dá)2000 m³，供氧充足，溶解氧可以達(dá)到飽和。這樣高的空氣量可以提高溶解氧向液膜的傳遞速率，有利于硝化活動(dòng)的進(jìn)行。
5.2.5　生物膜
　　污水經(jīng)二級(jí)處理和深度處理后，水中還含有一定數(shù)量的細(xì)菌和有機(jī)物，在冷卻塔填料表面很容易形成一層生物膜。冷卻塔填料有點(diǎn)滴式、膜板式、網(wǎng)格狀、蜂窩狀等多種形式，表面積在100～350 m2／m³。巨大的表面積為生物膜生長(zhǎng)提供了良好場(chǎng)地，雖然填料的比表面積大，但由于循環(huán)水是補(bǔ)充水的幾十倍，可看作高倍數(shù)回流，因此填料不會(huì)有脫水現(xiàn)象發(fā)生。避免了生物膜干化而影響活性。由于再生水的BOD小于10 mg/L，加上循環(huán)水有大量稀釋能力，因而合成代謝所形成的新細(xì)胞數(shù)量很小，膜的增殖脫落量不大，不會(huì)發(fā)生填料間隙的堵塞問題。按計(jì)算，每氧化1mg NH₃-N產(chǎn)生0.15mg新細(xì)胞，當(dāng)原水為20mg/L NH₃-N時(shí)，也只產(chǎn)生3.0mg/L懸浮物，數(shù)量很少。工程實(shí)踐也證明，已使用再生水的循環(huán)水系統(tǒng)懸浮物很低，填料不堵塞，冷卻塔也并不因其具有硝化功能而增加排污。循環(huán)水系統(tǒng)脫氨已經(jīng)成功運(yùn)行數(shù)年。

6　結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)深度處理的城市污水，含氨氮20～50 mg/L時(shí)，在循環(huán)冷卻水的pH值為7～8、濃縮倍數(shù)為2的條件下，循環(huán)水中的氨氮濃度可小于1 mg/L。因此使用經(jīng)深度處理的城市污水作為工業(yè)循環(huán)冷卻水的補(bǔ)充水，不會(huì)造成循環(huán)水中氨氮的積累。

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作者簡(jiǎn)介：
周彤（1941-），男，教授級(jí)高工，院副總工程師，全國(guó)污水回用研究會(huì)秘書長(zhǎng)，
聯(lián)系電話：0431-5627003